Luiz Paulo Serrano de Araújo
Resumo
Tubos flexíveis são produtos-chave utilizados atualmente em campos offshore pela indústria de petróleo e gás. Embora especialmente úteis como jumpers, os tubos flexíveis também têm sido aplicados como risers nas últimas décadas, o que apresenta uma série de desafios devido aos altos níveis de esforços a que estão sub-metidos e ao comportamento não-linear estrutural apresentado por eles. Durante o projeto de uma tubulação flexível, a análise dinâmica global é uma das etapas mais demoradas, o que motiva a indústria a buscar alternativas para reduzir o esforço computacional necessário nesta etapa. Este trabalho propõe uma metodologia para realizar previsões das séries temporais de tração e curvaturas no escopo da análise de risers flexíveis, aplicando um modelo de Regressão Simbólica. A partir de um único estado do mar, são executadas simulações curtas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), obtendo séries temporais de tração e curvaturas, que são usadas para treinar um modelo de Regressão Simbólica. Este modelo gera uma expressão analítica usada para prever a série temporal completa para o restante do tempo de simulação. Além disso, dado um contorno ambiental, é possível selecionar um subconjunto dos estados do mar, o que significa que, com simulações curtas para os estados do mar do subconjunto, as previsões podem ser realizadas para todos estes dentro do contorno. Dois estudos de caso são realizados, considerando a análise de fadiga dos arames de armadura de tração, sob duas configurações típicas: catenária livre e lazy wave. As séries temporais preditas são usadas para calcular tensões e os danos por fadiga, que são comparados aos resultados de referência de simulações completas pelo MEF.
Abstract
Flexible pipes are key products used nowadays in offshore fields by the oil and gas industry. Although especially useful as jumpers, flexible pipes have also been applied as risers over the last decades, posing challenges due to the complex nonlinear loading-response behavior they are subjected to. During their design workflow, the global dynamic analysis is one of the most time-consuming steps, motivating the industry to search for alternatives to reduce the computational effort required. This work proposes a methodology to perform axial tension and curvature time-series predictions in the scope of flexible riser analysis, applying a Symbolic Regression model. From a single sea state, short Finite Element Method (FEM) simulations are run, and axial tension and curvature time-series are obtained, which are used to train a Symbolic Regression model. Such model outputs an analytical expression used to predict the full time-series for the remaining simulation length. Moreover, given an environmental contour, a selection of a subset of the sea states can be performed, meaning that with short simulations for the sea states in the subset, predictions can be performed for all sea states inside the contour. Two case-studies are performed, considering fatigue analysis of tensile armor wires for pipes under free-hanging and lazy wave configurations. The predicted time-series are used to compute stresses and fatigue damage in the wires, that are compared to reference results from full FEM simulations.
